KR101407694B1 - 강화된 새로운 이온 소스 - Google Patents

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보 반데르베르크
빅토르 벤베니스테
존 팔론
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액셀리스 테크놀러지스, 인크.
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Abstract

이온들의 스트림을 생성하는 예시적인 이온 소스(12)는 아크 챔버의 이온화 영역(R)을 적어도 부분적으로 경계설정하는 알루미늄 합금 아크 챔버 바디(76)를 포함한다. 아크 챔버 바디는 아크 챔버의 이온화 영역을 통해 전자들이 스트림되기에 충분한 온도로 캐소드(124)를 직접 또는 간접 가열하는 핫 필라멘트 아크 챔버 하우징을 이용한다. 온도 센서는 아크 챔버(76)내의 온도를 모니터링하며 감지된 온도와 관련된 신호를 제공한다. 제어기는 센서에 의해 측정된 것으로서 감지된 온도를 모니터링하며 감지된 온도가 범위 내에서 유지되도록 온도를 조절한다.

Description

강화된 새로운 이온 소스{NEW AND IMPROVED ION SOURCE}
본 발명은 제품(workpiece)을 빔 처리하기 위한 이온 빔을 형성하기 위해 이온들을 방출하는 이온 발생 소스를 갖는 이온 주입기에 관한 것이다.
이온 주입기들은 이온 빔을 이용한 웨이퍼들에 충돌에 의해 실리콘 웨이퍼들을 처리하는데 이용될 수 있다. 이러한 빔 처리의 용도 중 하나는 집적회로들을 제조하는 동안 반도체 물질을 생산하기 위해 제어된 농도의 불순물들로 웨이퍼들을 선택적으로 도핑하는 것이다.
통상적인 이온 주입기는 이온 소스, 이온 추출 장치, 질량 분석 장치, 빔 수송 장치 및 웨이퍼 처리 장치를 포함한다. 이온 소스는 원하는 원자 또는 분자 도펀트 종들의 이온들을 발생시킨다. 이러한 이온들은 통상적으로 소스로부터 이온들의 흐름을 지향시키고 에너지화시키는 전극들의 세트인 추출 시스템에 의해 소스로부터 추출된다. 원하는 이온들은 통상적으로 추출된 이온 빔의 질량 분산을 수행하는 자기 쌍극자(magnetic dipole)인 질량 분석 장치에서 이온 소스의 부산물들로부터 분리된다. 빔 수송 장치, 통상적으로는 포커싱 장치들의 광학 트레인(optical train)을 포함하는 진공 시스템은 이온 빔의 원하는 광학적 특성을 유지하면서 웨이퍼 처리 장치로 이온 빔을 수송한다. 마지막으로, 반도체 웨이퍼들은 웨이퍼 처리 장치에서 이온 주입된다.
배치식(batch) 이온 주입기들은 이온 빔을 통해 다수의 실리콘 웨이퍼들을 이동시키기 위한 스피닝 디스크 지지체를 포함한다. 이온 빔은 이온 빔을 통해 지지체가 웨이퍼를 회전시킴에 따라 웨이퍼 표면에 주입된다.
일련의 주입기들은 동시에 하나의 웨이퍼를 처리한다. 웨이퍼들은 카세트에서 지지되며 동시에 회수되어 지지체 상에 위치된다. 다음 이온 빔이 단일 웨이퍼를 가격하도록 웨이퍼는 이온 주입 배향으로 회전한다. 이러한 일련의 주입기들은 초기 궤적으로부터 빔을 편향시키기 위해 빔 성형 전자장치(beam shaping electronics)을 이용하며 때로는 전체 웨이퍼 표면을 선택적으로 도핑 또는 처리하기 위해 통합조정된(co-ordinated) 웨이퍼 지지체의 이동과 조합되어 사용된다.
현재 주입기들에 사용되고 있는 이온 빔들을 발생시키는 이온 소스들은 통상적으로 아크(arc) 이온 소스들이라 불리며 웨이퍼 처리를 위해 적절한 이온 빔으로 성형되는 이온들을 생성하기 위해 가열된 필라멘트 캐소드들을 포함할 수 있다. 에스페라조 등(Sferlazzo et al)의 미국 특허 No. 5,497,006호는 베이스에 의해 지지되며 가스 제한 챔버로 이온화되는 전자들을 방출하기 위해 가스 제한 챔버를 중심으로 위치되는 캐소드를 갖는 이온 소스에 관한 것이다. '006호의 캐소드는 가스 제한 챔버로 부분적으로 연장되는 엔드캡(endcap) 및 튜브형 전도성 바디이다. 필라멘트는 튜브형 바디 내에서 지지되며 전자 충돌을 통해 엔드캡을 가열하는 전자들을 방출하여, 이온화되는 전자들이 가스 제한 챔버로 열전자적으로(thermionically) 방출된다.
콜티어 등(Cloutier et al)의 미국 특허 No. 5,763,890호는 이온 주입기에서 사용되는 아크 이온 소스를 개시한다. 이온 소스는 가스들 이온화 구역의 경계를 정하는 전도성 챔버 벽들을 가지는 가스 제한 챔버를 포함한다. 가스 제한 챔버는 이온들이 챔버를 벗어나게 허용하는 배출 개구를 포함한다. 베이스는 가스 제한 챔버를 벗어나는 이온들로부터 이온 빔을 형성하기 위해 구조물을 중심으로 가스 제한 챔버를 배치한다.
원하는 이온들을 발생시키기 위해 다른 소스들은 RF, 마이크로파 또는 전자 빔 방전을 구동시킬 수 있다. 이러한 소스들은 아크 이온 소스보다 10-100배 낮은 플라즈마 밀도를 발생시키며 통상적으로 소스 챔버가 대형 이온 추출 영역을 포함할 때 또는 낮은 이온화 전위를 갖는 소스 물질(쉽게 이온화되는 종들)로 이용된다. 리웅 등(Leung et al)의 미국 특허 No. 6,945,072호에 도시된 콜드(cold) 이온 소스들은 스테인레스 스틸, 구리 또는 알루미늄과 같은 상대적 저온 물질들로 구성된 소스 물질들을 가질 수 있지만, 핫(hot) 소스와 같은 아크 이온 소스들은 몰리브덴, 탄탈 또는 텅스텐과 같은 소위 내화성 고온 물질로 구성되는 종래 기술 주입기들의 요구되는 소스 부품들을 갖지는 고온 전력 밀도 및 섭씨 몇 만도의 아크 플라즈마에 소스 챔버 벽을 노출한다. 또한, 미국 공개 출원 2003:0218429 및 지히밍 왕 등(Zhimin Wan et al)의 "강한 이온 빔 주입을 위한 수냉식 플라즈마 플로드 소스"라 논문(IEEE, 2002)을 참조하라.
본 발명은 알루미늄으로 적어도 일부가 제조된 아크 이온 소스를 개시한다. "핫 타입(hot type)" 또는 아크 기반 "베르나스(Bernas)" 또는 "프리맨-타입(Freeman-type)" 또는 ihc(비간접적으로 가열된 캐소드)의 아크 이온 소스의 온도 제어 개선에 의해, 소스 아크 챔버 하우징처럼 알루미늄을 이용하여 이온 소스 하우징을 구성할 수 있다는 것이 밝혀졌다.
이온들의 스트림을 생성하는 예시적인 이온 소스는 아크 챔버 영역 내에서 이온화되는 가스 이온화 물질을 포함하는 이온화 영역을 적어도 부분적으로 경계설정하는 알루미늄 합금 아크 챔버 바디를 포함한다. 예시적인 일 실시예에서, 온도 센서는 감지된 온도와 관련된 신호를 제공하며 아크 챔버 내의 온도를 모니터링한다. 제어기는 센서에 의해 측정된 감지된 온도를 모니터링하며 감지된 온도를 범위 내에서 유지하기 위해 온도를 조절한다.
본 발명의 추가 특징은 첨부되는 도면을 참조로 하기 명세서를 판독함으로써 당업자들에게 명확해질 것이다.
도 1은 시피닝 지지체 상에 장착되는 실리콘 웨이퍼와 같은 제품을 이온 빔 처리하는 이온 주입기의 개략도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따라 구성된 이온 소스의 확대 개략도이다.
도 4는 도 2 및 도 3의 이온 소스의 단면도이다.
도 5는 도 4의 선 5-5으로 한정된 평면도이다.
도 6은 이온 소스의 후방 개략도이다.
도 7은 본 발명에 따라 구성된 이온 소스를 동작시키는 개략적 제어 회로이 다.
도면들을 참조로, 도 1은 이온 빔 주입기(10)의 개략도를 나타낸다. 주입기는 단부 또는 주입 스테이션(20)으로 빔 경로를 횡단하도록 선택적으로 지향되고 성형되는 이온 빔(14)을 형성하는 이온들을 생성하는 이온 소스(12)를 포함한다. 주입 스테이션은 반도체 웨이퍼와 같은 제품(24)이 이온 빔(14)을 형성하는 이온들에 의해 주입되도록 배치되는 내부 영역을 한정하는 진공 또는 주입 챔버(22)를 포함한다. 제어기(41)로서 개략적으로 표시되는 제어 전자장치들은 제품(24)에 의해 수용되는 이온 도즈량(dosage)을 모니터링하고 제어하도록 제공된다. 제어 전자장치들에 대한 오퍼레이터 입력은 단부 스테이션(20) 부근에 위치되는 사용자 제어 콘솔(26)을 통해 수행된다. 이온 빔(14)의 이온들은 소스와 주입 챔버 사이의 영역을 빔이 횡단함에 따라 분기되는 경향이 있다. 이러한 분기를 감소시키기 위해서, 영역은 하나 이상의 진공 펌프들(27)에 의해 낮은 압력으로 유지된다.
이온 소스(12)는 소스 물질들이 주입되는 내부 영역을 한정하는 플라즈마 챔버를 포함한다. 소스 물질들은 이온화 가능한 가스 또는 증발 소스 물질을 포함할 수 있다. 플라즈마 챔버 내에 발생된 이온들은 이온 가속 전계를 생성하기 위한 다수의 금속성 전극들을 포함하는 이온 빔 추출 어셈블리(28)에 의해 챔버로부터 추출된다.
빔 경로(16)를 따라 분석 자석(30)이 위치되며, 자석(30)은 이온 빔(14)을 구부러지게하여 빔 셔터(32)를 거치게 한다. 빔 셔터(32)에 이어, 빔(14)은 빔(14)을 포커싱하는 4극자 렌즈 시스템(36)을 통과한다. 다음 빔은 제어기(41)에 의해 제어되는 편향 자석(40)을 통과한다. 제어기(41)는 자석(40)의 전도성 와인딩들에 교류 신호를 제공하여 이온 빔(14)이 수백 헤르쯔의 주파수에서 좌우로 반복적으로 편향 또는 스캔되게 한다. 개시된 일 실시예에서, 200 내지 300Hertz의 스캐닝 주파수들이 이용된다. 이러한 편향 또는 좌우 스캐닝은 얇은, 팬 형상 리본 이온 빔(14a)을 형성한다.
팬 형상 리본 빔 내의 이온들은 자석(40)을 떠난 후에 분기 경로들(diverging paths)을 따른다. 이온들은 병렬화 자석(42)으로 진입하며, 빔(14a)을 형성하는 이온들은 일반적으로 평행한 빔 경로들을 따라 이동하는 병렬화 자석(42)을 벗어나도록 양(amounts)을 변화시킴으로써 다시 구부러진다. 다음 이온들은 이들의 전하로 인해 이온들을 하향(도 1의 y-방향) 편향시키는 에너지 필터(44)로 진입한다. 이는 상류 빔 성형화가 일어나는 동안 빔이 진입된 중성 입자들을 제거한다.
병렬화 자석(42)을 벗어나는 리본 이온 빔(14a)은 본질적으로 매우 좁은 직사각형을 형성하는 단면을 갖는 이온 빔이다, 즉 한 방향으로 연장되는 빔은 예컨대 제한된(예컨대, 약 1/2inch) 수직 범위를 가지며 자석(40)이 실리콘 웨이퍼와 같은 제품의 직경을 완전히 커버하게 하는 스캐닝 또는 편향으로 인해 바깥방향으로 넓어지는 직교 방향의 범위를 갖는다.
일반적으로, 리본 이온 빔(14a)의 범위는 스캔될 때, 제품(24)의 전체 표면을 이온 주입하기에 충분하다. 제품(24)은 300mm의 수평 치수(또는 300mm 직경)를 갖는 것으로 가정된다. 자석(40)은 주입 챔버(22)내의 제품(24) 표면에 주입이 가해짐에 따라, 리본 이온 빔(14a)의 수평 범위가 적어도 300mm가 되도록 빔을 편향시킨다.
제품 지지 구조물(50)은 제품(24)의 전체 주입 표면이 이온들로 균일하게 주입되도록, 이온 주입 동안 리본 이온 빔(14)을 중심으로 제품(24)을 지지하며 (y 방향에서 위 아래로) 이동시킨다. 주입 챔버 내부 영역은 배기되기 때문에, 제품들은 로드락(60)을 통해 챔버로 진입 및 배출되어야 한다. 주입 챔버(22) 내에 장착된 로봇 암(62)은 로드락(60)을 향해 그리고 로드락(60)으로부터 웨이퍼 제품을 자동으로 이동한다. 제품(24)은 도 1의 로드락(60) 내에 수평 위치에 도시된다. 암은 궁상(arcuate) 경로를 통해 제품을 회전시킴으로써 로드락(60)으로부터 지지체(50)로 제품(24)을 이동시킨다. 주입 이전에, 제품 지지 구조물(50)은 주입을 위한 수직 또는 거의 수직 위치로 제품(24)을 회전시킨다. 제품(24)이 수직인 경우, 즉 이온 빔(14)과 직각인 경우, 제품 표면과의 법선(normal)과 이온 빔간의 입사가 또는 주입 각은 0도이다.
통상적인 주입 동작에서, 도핑되지 않은 제품들(통상적으로 반도체 웨이퍼들)은 제품(24)을 배향기(orienter)(84)로 이동시키는 2개의 로봇(80, 82)중 하나에 의해 다수의 카세트들(70-73)중 하나로부터 회수되며, 제품(24)은 특정 배향으로 회전된다. 로봇 암은 배향된 제품(24)을 회수하여 이를 로드락(60)으로 이동시키다. 로드락은 폐쇄되고 원하는 진공으로 펌프다운된 후, 주입 챔버(33)로 개방된다. 로봇 암(62)은 제품(24)을 붙잡아 주입 챔버(22)로 가져가서 제품 지지 구조물(50)의 정전기 클램프 또는 척 위에 제품(24)을 위치시킨다. 정전기 클램프는 이온 주입 동안 제 위치에서 제품(24)을 유지하도록 에너지화된다. 적절한 정전기 클램프들은 1995년 7월 25일자로 블레이크(Blake) 등에게 허여된 미국 특허 No. 5,436,790호 및 1995년 8월 22일자로 블레이크(Blake) 등에게 허여된 미국 특허 No.5,444,597호에 개시되어 있으며, 상기 문헌들은 본 발명의 양수인에게 양도되었다. '790호 및 '597호 특허들 모두는 본 발명에서 참조된다.
제품(24)을 이온 빔 처리한 후에, 제품 지지 구조물(50)은 수평 위치로 제품(24)을 복귀시키며 정전기 클램프는 제품이 방출되도록 에너지공급이 중단된다(de-energized). 암(62)은 이러한 이온 빔 처리 이후 제품(24)을 붙잡아 이를 구조물(50)로부터 다시 로드락(60)으로 이동시킨다. 선택적(alternate) 설계에 따라, 로드락은 독립적으로 배기되고 가압되는 상부 및 하부 영역을 가지며 이러한 선택적 실시예에서, 주입 스테이션(20)에서 제 2 로봇 암(미도시)은 주입된 제품(24)을 붙잡아 주입 챔버(22)로부터 이를 다시 로드락(60)으로 이동시킨다. 로드락(60)으로부터, 로봇들중 하나의 로봇 암은 카세트들(70-73)중 하나로 및 가장 통상적으로는 초기에 제품이 회수되었던 카세트로 다시 주입된 제품(24)을 이동시킨다.
이온 소스
본 발명을 구현하는 이온 발생 소스(12)(도 2-5)는 주입기로부터 소스(12)를 제거할 수 있는 핸들들(83)을 갖는 플랜지(82)에 의해 지지되는 소스 블록(120)을 포함한다. 소스 블록(120)은 플라즈마 아크 챔버(76) 및 본 발명의 바람직한 실시 예에서 아크 챔버(76)로부터 전기적으로 절연되어 지지되는 전자 방출 캐소드(124)를 지지한다.
아크 이온 소스는 "이론적 플라즈마 물리학 및 응용(Plasma Physics in Theory and Application)"(Ed.W.Kunkel, MacGraw-Hill, 1966) 교과서에서 정의되었으며, "모든(전기적) 방전은 eVc<E[Vc는 캐소드 전압 강하, E는 이온화 에너지)"은 캐소드에서 또는 플라즈마의 바디에서 특정 조건들과 상관없는 전기적 아크로서 분류될 수 있다는 것을 주지했다. 명확하게, 이런 방식의 아크 카테고리는 너무 넓고, 이는 가스 압력 또는 전류 밀도 중 하나에 대한 제한이 없기 때문이다. 사실상, 열전자 다이오드들은 플라즈마 방전 기간이 적절하여 공간 전하의 실질적 중성화를 산출할 수 있도록 충분한 가스 이온화가 일어나게 길어야한다. 가스 밀도, 전류 밀도 및 캐소드 조건에 따라, 아크 방전은 이들의 특징적 특성이 상당히 상이할 수 있다. 이러한 정의는 직접적으로 에너지화된 필라멘트로부터 충분한 에너지의 전자들이 방출되는(따라서 캐소드로 작용) 경우 또는 에너지화된 필라멘트로부터의 전자들이 아크 챔버 내에서 가스가 이온화되기에 충분한 에너지의 전자들을 방출하는 캐소드를 충돌하는 경우 중 하나로서 "핫 필라멘트(hot filament)" 이온 소스로 간주됨으로써 본 발명에서 요약된다.
소스 자석(미도시)는 채버(76) 내에서 엄격히 한정된 이동 경로로 플라즈마 발생 전자들을 제한하기 위해 플라즈마 아크 챔버(76)를 둘러싼다. 또한 소스 블록(120)은 가스로 증발된 다음 열차폐물(130)을 통과하는 전달 노즐들(126, 128)에 의해 플라즈마 챔버(76)로 다시 주입되는 비소와 같은 증발가능한 고체들로 충진되 는 증발기 오븐(122, 123)을 수용하는 캐비티를 한정한다. 플라즈마 아크 챔버(76)는 알루미늄 합금으로 구성된 긴(elongated) 금속 구조물이다. 적절한 합금으로는 바람직한 가공 특성으로 상업적으로 쉽게 입수가능한 6061 일루미늄이 있다. 이러한 합금은 .8-2% 마그네슘 외에 96-98% 알루미늄 및 소량의 다른 성분들 외에 .4-.8 실리콘을 함유한다(소스:matweb.com). 하우징은 2개의 긴 측벽, 상부벽 및 하부벽에 의해 경계설정된 내부 이온화 영역(R)을 한정한다. 텅스텐 또는 몰리브덴으로 구성된 개별 전방벽 한정 플레이트(132)는 이온화 영역(R)과 접한다. 아크 챔버는 2개의 측벽들로부터 바깥방향으로 연장되며 소스 블록에 아크 챔버를 장착하기 위한 지지 플랜지(134)를 포함한다.
4개의 긴 포스트들(136)은 플레이트(132)에서 4개의 노치들(138)을 통과한다. 포스트들(136)은 아크 챔버(76)를 향해 플레이트(132)를 바이어스시키는 스프링들(148) 및 소스 블록에 의해 지지되는 부싱들(146)을 통과한다.
소스 블록(120)에서 개구들(131, 133)을 통해 연장되는 전달 노즐들(126, 128)에 의해 증발기들(122, 123)로부터 플라즈마 아크 챔버(176)의 내부로 가스 물질이 주입될 수 있다. 챔버(76)의 대향 측면들 상에서, 통로(141)는 챔버 바디를 통해 챔버(76) 후방으로부터 연장되며 플라즈마 아크 챔버(76)의 내부로 개방된다. 노즐들은 이들 통로들에 대한 입구와 접하여 오븐들(122, 123)로부터 기체 소스 물질을 전달한다. 부가적으로, 가스는 챔버의 후방 벽의 포트 또는 개구(142)에 의해 챔버(76)로 직접 라우팅될 수 있다. 개구(142)로 유도되는 전달 튜브(144)는 이온 소스 외부 공급부 또는 소스로부터 아크 챔버(76)로 직접 가스를 주입한다.
아크 챔버의 단부벽은 개구(158)를 한정하며, 개구(158)는 개구(158)를 한정하는 챔버 벽과 접촉하지 않고 플라즈마 아크 챔버(76)의 내부로 캐소드(124)가 연장되도록 크기설정된다. 캐소드(124)는 아크 챔버의 후방과 결합된 절연성 장착 블록(150)에 의해 지지된다. 개구(158)에 장착되는 캐소드 바디는 절연성 장착 블록(150)에 의해 지지되는 전도성 장착 플레이트(152)에 장착된다.
캐소드(124)는 실질적으로 콜티어(Colutier) 등의 '890 특허의 설명에 따라 구성된다. 캐소드(124)의 외부 튜브형 부재는 내화성 물질로 구성된다. 이러한 튜브형 부재의 하단부는 장착 플레이트(152)와 접한다. 또한 내부 튜브형 부재는 내화성 물질로 구성되며 장착 플레이트(152)의 나사형(threaded) 개구에 장착되는 나사형 하단부를 갖는다. 캐소드(124)의 엔드캡(164)은 전도성이며 내화성 물질로 구성되고 튜브형 부재들의 단부에서 카운터보어에 장착된다. 내부 및 외부 튜브형 부재들의 길이는 외부 튜브형 부재의 단부를 너머 엔드캡(164)이 아크 챔버(76)로 상향 연장되게 설정된다.
2개의 전도성 장착 암들(170, 171)은 캐소드(124) 내부의 필라멘트(178)르 지지한다. 암들(170, 171)은 블록(150)의 나사형 개구들과 맞물리는 암들을 통과하는 접속기들(172)에 의해 절연성 블록(150)과 직접 부착된다. 전도성 에너지화 밴드들(174)은 필라멘트와 결합되며 전력 공급부(feedthrough)들(175, 176)을 통해 하우징(80)의 플랜지(82)를 통해 라우팅되는 신호에 의해 에너지화된다. 필라멘트(178)는 나선형 루프를 형성하도록 구부러지는 텅스텐 와이어로 구성된다. 필라멘트(178)의 단부들은 적절한 클램프들에 의해 2개 암(170, 171)과 전기적으로 접 촉하여 고정되는 2개의 내화성 물질 레그들에 의해 지지된다.
텅스텐 와이어 필라멘트(178)가 전격 공급부들(175, 176) 양단에 전위차를 인가함으로써 에너지화될 때, 필라멘트들은 캐소드(124)의 엔드캡을 향해 가속되어 영향을 미치는 전자들을 방출한다. 캡이 전자 충돌에 의해 충분히 가열될 때, 챔버(76) 내에 이온들을 생성하고 가스 분자를 가격하는 전자들이 아크 챔버(76)로 방출된다. 이온 플라즈마가 생성되며 이러한 플라즈마내의 이온들은 이온 빔을 형성하도록 플레이트(132)의 개구(78)를 벗어난다. 캡은 챔버내의 이온 플라즈마와 필라멘트의 접촉을 차폐하여 필라멘트의 수명을 연장시킨다.
아크 챔버(76)로 방출되나 가스 이온화 구역에서 가스 분자와 결합되지 않는 캐소드(124)에 의해 생성된 전자들은 반박기(repeller)(180) 부근으로 이동한다. 반박기(180)는 가스 분자가 충돌할 수 있는 가스 이온화 구역으로 다시 전자들을 편향시키는 아크 챔버(76) 내에 위치된 금속 부재를 포함한다. 반박기의 금속 부재는 내화성 물질로 구성된다. 세라믹 절연체는 플라즈마 아크 챔버(76)의 하부벽의 전기적 전위로부터 반박기(180)를 절연시킨다. 따라서 캐소드(124)와 반박기(180)는 아크 챔버 벽들로부터 전기적 및 열적으로 절연된다.
챔버(76) 벽들은 로컬 접지 또는 기준 전기 전위로 고정된다. 캐소드 엔드캡(164)을 포함하는 캐소드는 챔버벽들의 로컬 접지 이하 50-150볼트 사이에서 전위를 유지한다. 이러한 전기 전위는 캐소드를 지지하는 플레이트(152)에 전기 전도체를 부착시킴으로써 전력 공급부에 의해 플레이트(152)에 결합된다. 공급부(182)는 도 2 및 도 3에 도시된다. 공급부로부터 캐소드 블록으로의 접속은 도 면들에 도시되지 않는다. 필라멘트(178)는 엔드캡(164) 전압 이하인 200 내지 600 볼트 사이의 전압으로 유지된다. 필라멘트와 캐소드 간의 큰 전압차는 챔버(76)로 전자들을 열전자적으로 방출하고 엔드캡(164)을 가열하기에 충분한 필라멘트를 떠는 전자들에 높은 에너지를 부여한다. 반박기 부재(180)는 챔버(76) 내의 가스 플라즈마의 전기 전위로 플로팅되게 허용된다.
에스페라조 등(Sferlazzo et al)에 대한 '006 특허는 캐소드와 애노드(아크 챔버의 챔버 벽들) 간의 아크 전류를 제어하는 회로의 개략도이다. 이러한 회로의 동작은 에스페라조 등(Sferlazzo et al)의 특허에 개시되어 있으며 이는 본 발명에서 참조된다. 이온들이 발생되는 동안, 소스는 아크 챔버로의 이온화 에너지 유입으로 인해 가열된다. 이러한 모든 에너지가 아크 챔버 내에서 가스를 이온화시키는 것은 아니며 소량의 열이 발생한다. 챔버는 아크 챔버의 영역으로부터 가열된 물을 멀리 라우팅하고 플랜지로 냉각수를 라우팅하는 물 결합부들(190, 192)을 포하한다.
아크 챔버에 캐소드(124)를 장착하는 것 이외에, 절연성 블록(150)은 캐소드 바디를 중심으로 피라멘트(178)를 그리고 아크 챔버를 기준으로 캐소드 바디를 위치시킨다. 이러한 기능들은 콜티어 등(Cloutier et al)의 특허에 상세히 개시된다.
소정의 설계 목표들은 본 발명의 실행을 통해, 특히 예시적인 소스(12)의 사용을 통해 달성된다. 본 발명의 목표 중 하나는, 전력의 최소치(예컨대, 400W) 내지 최대치(예컨대, 1500W)의 인가를 위해 400도 내지 550도 사이로 아크 챔버(76)의 온도를 유지하는 것이다. 400도 이하의 온도에서는 보편적으로 소스 가스로 사용되는, 이를 테면 AsH3와 같은 비소 함유 소스 물질들이 이온 소스 내부에서 응축되어 다른 소스 가스들이 차후 이용될 경우 소스를 오염시키고 소스 동작에 영향을 미칠 수 있다는 위험이 있다. 550도 이상의 온도에서는 알루미늄 합금들이 경도 및 탄력과 관련하여 이들의 기계적 특성을 손실하여, 소스 어셈블리의 기계적 보전성 및 추출 특성에 영향을 미칠 수 있다고 공지되었다. 이러한 온도 범위 이상에서, 소스는 소스 블록(120)을 기준으로 아크 슬릿(78)의 양호한 정렬을 제공해야 한다. 예시적 설계는 조립된 부품들, 특히 아크 챔버(76) 및 아크 슬릿(78)의 열적 팽창을 허용해야 한다. 대표적인 톨러런스는 아크 챔버의 측면 대 측면 위치설정을 위해 .03mm 갭폭에 대해 .1mm 정도이며 수직축 부근의 아크 챔버 출구 구멍의 틸트에 대해 .1도 정도이다. 이러한 설계 가이드라인은 특히 웨이퍼 상에서의 정확한 이온 빔 배치가 가장 중요한 중간 전류 주입기에서 특히 중요하다.
앞서 특정된 또는 원하는 온도 범위에서 아크 기판을 유지함으로써 소스 하우징을 종래의 아크 챔버 물질(이를 테면 몰리브덴) 보다 중량이 가벼우며 제조비용이 싼 알루미늄으로 구성할 수 있다. 소스 블록(120)(아크 챔버가 부착됨) 또한 알루미늄으로 제조된다.
기화기 어셈블리(202)는 스테인레스 스틸로 구성되며 스틸 플레이트(200)에 브레이징된다(brazed). 기화기 어셈블리는 플렉시블 도관들(214, 216)을 통해 질소가 펌프되는 이격된 내부 캐비티들(210, 212)을 한정한다. 질소는 캐비티들로 라우팅되어 아크 소스 하우징 온도들의 원하는 범위에 대한 추가적 온도 제어를 달성할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 질소가 사용되지만, 정상 대기 공기가 캐비티들 안팎으로 라우팅될 수도 있다. 접속기(218)는 통로들(131, 133)의 영역에서 소스 블록(120)에 장착되고 이들 통로들(131, 133) 내의 위치에서 방사선 차폐물(각각의 기화기에 대해 하나)을 보유한다.
기화기 오븐 영역에서의 온도는 소스 블록 내에 위치되며 개별 기화기 제어기(미도시)로 출력 신호들을 라우팅하는 접속기들(226)로 도체들(224)을 통해 신호들을 라우팅하는 온도 반응 열전쌍들을 포함하는 센서들(220, 222)에 의해 모니터된다. 제 3 센서(미도시)는 아크 소스 하우징 내에 위치되며 아크 소스 하우징으로부터 도 6에 도시된 플랜지에 장착된 추가의 또는 제 3 접속기(226)로 신호들을 라우팅하는 도체(224)와 결합되어, 결국 제어기(300)로 신호를 라우팅한다.
또한 예시적인 소스는 아크 소스 하우징에서 전반적으로 평행하게 연장되는 통로들에 삽입되는 일반적으로 실린더형인 길게 연장된 3개의 히터들의 2개 세트들(230, 232)을 포함한다. 이러한 히터들은 플렉시블한 스테인레스 스틸 외부 자켓을 포함하는 달턴 와트 플렉스 카트리지 히터들로서 이용가능한, 개별적으로 활성화되는 저항성 히터(resistance heater)들이다. 외부 표면은 아크 챔버에 방사성 열을 제공한다. 재킷 내부의 저항성 히터들은 재킷을 가열한다. 플렉시블 외부 재킷은 이들의 해당 통로로 가압됨에 따라 안쪽방향으로 압착된다. 아크 챔버 하우징은 온도 편차에 따라 확대되고 수축되기 때문에, 이러한 히터 카트리지들의 외부 재킷은 긴 캐비티들을 한정하는 알루미늄 아크 챔버 하우징과 내부에 내장된 저항성 히터들 사이에서 양호한 열적 전도성을 유지하도록 팽창 및 수축된다. 이러한 히터들은 d.c. 전력원에 의해 전력공급되며 240볼트 DC/AC에서 활성화될 수 있다.
모니터링 정확도는 2개의 장착 핀들(250) 및 접속기들(254)의 사용에 의해 달성된다. 아크 챔버 하우징의 한쪽 단부에서, 하우징은 관통통로(throughpassage)를 가지는 보스(252)를 포함한다. 관통통로는 소스 블록(120) 상에 장착되는 정렬된 보스(256)에서 나사형 개구(255)과 결합되는 3개의 나사형 접속기들(254)중 하나를 수용한다. 다른 접속기들(미도시)은 아크 챔버 하우징(76)의 개구들(257)을 통해 연장되며 아크 소스 하우징을 면하는 소스 블록의 단부 표면 부근에 이격된 2개의 다른 나사형 개구들(255)에 장착된다.
소스(12)의 어셈블리 동안, 아크 챔버는 소스 블록과 결합된다. 이 단계는 소스 블록의 노출된 단부로부터 연장되는 핀들(250)에 의해 조장된다. 나사형 접속기들은 소스 블록과 나사결합되는 아크 챔버를 통과하여 고정된다. 핀들은 소스 블록을 기준으로 아크 챔버와 아크 슬릿을 견고히 위치시킨다. 온도 편차는 챔버와 소스 블록 모두가 2개의 장착 핀들(250)을 이등분하는 수직 중심선 부근에서 팽창 및 수축된다. 아크 챔버와 소스 블록 간의 불균일한 팽창 속도는 소스 블록을 기준으로 아크 챔버의 비교적 약간의 측면 이동이 허용되게 하는 활동도(degree of play)를 가지는 나사형 접속기들(254)의 유연성(flexibility)으로 인해 발생될 수 있다.
소스 블록과 아크 챔버 간의 열 전도는 아크 챔버와 소스 블록 사이에 장착 된 2개의 eGrafTM 가스켓들(260, 262)을 사용함으로써 조장된다. 가스켓들(260, 262)들은 나사형 접속기들(254)을 수용하도록 적절한 위치에서 홀들을 한정한다. 이러한 가스켓들은 그래파이트로 구성되며 낮은 열 저항성 물질로부터 구성되며 열접촉 인터페이싱을 위해 특정하게 구성된다. 이러한 가스켓들은 높은 동작 온도(원하는 온도 범위중 가장 높은 온도)에서의 열전도를 조장하며 높은 온도 범위에서 동작할 때 아크 챔버로부터 열 흐름을 조장함으로써 고온 스윙(swing)을 방해한다. 예시적인 실시예에서, 가스켓은 5/1000 인치의 제어된 두께를 갖도록 제조된다. eGraf 가스켓은 섭씨 400도에 이르는 특정 동작 온도를 갖지만, 실제 소스 동작에 대해 550도에 이르는 상한치의 고온에서 동작한다.
도 7은 제어 개략도 또는 흐름도로 목표 온도 범위 내에서 어떻게 유지되는지를 구성한 것이다. 온도 제어기(300)(온도를 조절하기 위한 제어기 입력(302)을 가짐)는 교류 입력(310) 및 아크 챔버 온도를 모니터링하는 열전쌍(226)으로부터 온도를 감지하는 입력을 갖는다. 제어기(300)는 중계기(320)의 콘택을 개방 및 폐쇄시켜 전력원으로부터의 DC 전력이 평행한 2개 세트의 히터 부재들에 대해 인가되도록 한다. 제어기(300)는 일정한 전력 제어를 구현하여, 아크 소스 캐소드 및 2개 세트(230, 232)로 이루어진 히터들에 대한 전체 전력 입력은 유지된다. 아크 소스가 높은 전력(높은 빔 전류)에서 동작할 경우, 히터들은 낮은 전력에서 동작한다. 반대로, 아크 소스가 낮은 전력(낮은 빔 전류)에서 동작할 경우, 히터는 높은 전력에서 동작한다. 기화기 오븐들은 이러한 제어와 분리되며, 이는 상기 제어는 가스 물질이 아크 챔버로 직접 펌프되는 애플리케이션에서 이루어져야 하기 때문이다.
이러한 제어를 구현하기 위해, 제어기(300)는 히터들에 대한 전력이 온도를 기초로 변하는 제어 루프 및 감지된 온도를 이용한다. 아크 챔버의 온도가 상위 범위에 도달함에 따라, 히터에 대한 전력은 감소되고 반대로 온도가 하위 범위에 도달함에 따라 히터에 대한 전력은 증가한다.
아크 챔버의 온도에 대한 활성적 제어가 없더라도, 주입기가 동작하는 범위내 전력은 제한될 수 있다. 아크 챔버의 온도가 최소 소스 전력 및 최대 소스 전력을 한정하는 400도 내지 550도 내에서 유지될 경우, 이 값은 열적 회로의 설계와 관련된다. 이는 전용 주입기와 같은 거의 일정한 전력 또는 제한된 범위 내에서 소스가 동작하는 곳에 적용될 수 있고, 이러한 애플리케이션들에 대해, 활성 제어는 요구되지 않는다. 활성 제어는 상당히 넓은 전력 범위 내에서 예시적 시스템이 동작하게 하며, 상기 범위는 제공될 수 있는 제어 시스템 전력에 의해 확대될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예의 상기 설명을 통해, 당업자들은 본 발명의 개선, 변화 및 변형을 예측할 것이다. 이러한, 개선, 변화 및 예측은 첨부되는 본 발명의 청구항들에 의해 의도된 본 발명의 범주 내에서 이루어진다.

Claims (21)

  1. 이온들의 스트림을 생성하는데 이용하기 위한 이온 소스로서,
    소스 블록;
    하우징 내부로 주입되는 가스 분자들을 이온화시키기 위해 핫 도체(hot conductor)로부터 전자들을 이동시키는 이온화 영역을 적어도 부분적으로 경계설정하는 알루미늄 합금 아크 챔버 하우징;
    상기 아크 챔버 하우징의 동작 온도를 400℃-550℃ 범위 내에서 유지하는 제어 회로; 및
    상기 소스 블록과 상기 아크 챔버 하우징 사이의 열 전도를 촉진시키기 위해 상기 소스 블록과 상기 아크 챔버 하우징 사이에 장착되는 흑연 가스켓들
    을 포함하는,
    이온 소스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 아크 챔버 하우징의 온도를 모니터링하기 위한 온도 센서를 포함하는,
    이온 소스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 아크 챔버 하우징은 상기 아크 챔버 하우징의 온도를 상승 및 하강시키기 위해 상기 제어 회로에 결합되는 저항성 가열 부재들을 지지하는 통로들을 포함하는,
    이온 소스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 저항성 가열 부재들은 상기 하우징과 상기 저항성 가열 부재들 간의 원하는 열 전달을 유지하기 위해 온도 변화들에 따라 팽창 및 수축되는 외부 플랙시블 재킷들을 포함하는,
    이온 소스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 소스 블록은 아크 챔버 바디를 지지하고, 상기 아크 챔버 하우징 내부로 가스 이온화 물질을 주입하기 위한 오븐을 포함하며,
    상기 아크 챔버 하우징은 상기 아크 챔버 하우징과 상기 소스 블록 사이에 삽입된 단열성 열 차폐물에 의해 상기 소스 블록으로부터 이격되는,
    이온 소스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 아크 챔버 하우징으로 가스 이온화 물질을 주입하기 위해 알루미늄 합금 소스 블록에서 지지되는 오븐을 더 포함하는,
    이온 소스.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 오븐은 상기 오븐을 냉각시키기 위한 냉각 가스를 수용하기 위한 캐비티들(cavities)을 포함하는,
    이온 소스.
  8. 제 1 항에 있어서,
    장착 포스트들에 장착되는 출구 구멍 플레이트를 더 포함하고,
    상기 아크 챔버 하우징에 대해 상기 구멍 플레이트를 바이어싱하는 스프링들을 포함하는,
    이온 소스.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 소스 블록은 중심선을 따라 이격된 위치들에서 상기 아크 챔버 하우징 내의 해당 홀들과 결합되면서 상기 중심선의 각각의 측면 상에서 아크 챔버 바디의 팽창 및 수축을 허용하는 배치 핀들(locating pins)을 갖는,
    이온 소스.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 이온 소스는 상기 중심선에 정렬된 아크 슬릿을 갖는 출구 구멍 플레이트를 더 포함하며,
    상기 중심선에서 상기 아크 챔버 바디의 팽창 및 수축이 발생되는,
    이온 소스.
  11. 이온 빔을 생성하기 위한 방법으로서,
    a) 알루미늄 합금 아크 챔버 하우징을 위치시키는 단계 - 상기 알루미늄 합금 아크 챔버 하우징은 이온 이동 경로를 중심으로 상기 아크 챔버 하우징을 위치시키기 위해 소스 블록에 상기 아크 챔버 하우징을 장착함으로써, 이온들의 스트림을 방출하기 위해 적어도 부분적으로 이온화 영역을 경계설정함 - ;
    b) 이온 빔 이동 경로를 기준으로 소스 블록을 고정시키고, 온도 변화들에 따라 아크 챔버 바디의 팽창 및 수축이 허용되도록 중심선을 따라 소스 바디에 상기 아크 챔버 바디를 접속하는 단계;
    c) 상기 소스 블록과 상기 아크 챔버 하우징 사이에 흑연 가스켓을 장착함으로써 상기 소스 블록과 상기 아크 챔버 하우징 사이에 열 전도를 촉진시키는 단계;
    d) 핫 필라멘트 전자 방출 다이오드로부터 전자들을 방출함으로써 상기 이온화 영역을 통해 상기 전자들을 지향시키는 단계;
    e) 상기 빔을 형성하기 위해 상기 아크 챔버 하우징으로부터 이온들을 방출하는 단계; 및
    f) 400℃-550℃의 온도 범위 내에서 감지된 온도를 유지하기 위해 상기 아크 챔버 하우징에 인가되는 전력을 제어하는 단계
    를 포함하는,
    이온 빔을 생성하기 위한 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 아크 챔버 하우징의 영역에서 온도들을 모니터링하는 단계; 및
    상기 아크 챔버 하우징에 얼마나 많은 전력이 인가되는지를 결정하는데 이용하기 위해 감지된 온도와 관련된 신호를 제공하는 단계
    를 더 포함하는,
    이온 빔을 생성하기 위한 방법.
  13. 삭제
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 가스켓은 원하는 온도 범위 중 가장 높은 온도에서 온도 편차들을 방지하는,
    이온 빔을 생성하기 위한 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 아크 챔버 하우징의 온도는, 아크 챔버 바디와 접촉하게 저항성 히터를 위치시키고 상기 저항성 히터를 통한 전류를 조절함으로써 제어되는,
    이온 빔을 생성하기 위한 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    저항성 히터와 하우징 바디 간의 열적 전도는 상기 저항성 히터를 둘러싸는 플랙시블 재킷에 의해 유지되는,
    이온 빔을 생성하기 위한 방법.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
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